音频功率放大器课程设计 [共14页]

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1、电子技术课程设计报告音频放大器的设计学 院：机械与电子工程学院年级专业：机械电子工程102学2010012325姓名：杨建平指导教师：龙燕完成时间：2013.1.10成绩：中国陕西杨凌摘要本次课程设计题目为音频功率放人器，简称音频功放。音频功率放大器主耍 用于推动扬声器发声。儿乎所有发声的电子产品屮都要用到音频功放，比如于机、 MP4播放器、笔记本电脑、电视机.音响设备等，给我们的生活和学习工作带 来了不可替代的方便拿受。这款功放采用了典型的OCL功放电路，具冇结构简单，输出功率大，失真 小等特点，应用十分广泛。本设汁主要包括两部分放大电路电路:前置放大电路、 OCL功率放大电路。前置放大级采

2、川的是集成运算放大器NE5532AP, NE5532AP 在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具冇优界的指标。OCL功率放人电路采 用TDA2030音频放大器芯片，其性能优良，由它组成的功率放人器可以很好的 满足设计要求。木设计将通过电路分析设计.Nl Multisim电路仿厌及分析完成。关键词：NE5532AP： TDA2030；失真小：音频功率放大器1设计任务4L1设计目的和意义41.2放大指标42系统设计42总体方案设计42.2具体电路设计5221前置放大电路的设计52.2.2功率放大电路的设计62.3系统总体电路72.4系统所用元器件83系统调试与仿真83前置放大器调试83.2 OCL功

3、率放大电路的调试113.3总电路调试124总结144本系统的优缺点144.2心得体会14参考文献141设计任务音频功率放大器设计1.1设计目的和意义日常生活中涉及到发声的电了设备人多数都要用到音频功率放人器，木设计 的目的就是为了满足其需耍，要求在较小失真的情况下满足一定的放大倍数以推 动负载(如扬声器)正常运行。1.2放大指标1、最大不失真输出功率：Pom0.5W2、负载电阻Rl=4Q2系统设计2.1总体方案设计根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图所示框图实现。下血主要介 绍各部分电路的特点及要求。本设计的音频功率放人器是-个多级放人系统。首先根据输出功率的确定电 源人小和整个系统的増

4、益。因为音频功率放人器的最大不失真输出功率POM 0.5Wo所以音频功率放大器的输出幅值Vqm V(2POmRl)= V(2*0.5*4)=2 (V)。 当输入信号最小值为lmV时，整个放大系统的电压放人倍数为： Av=VOM/Vi=2/(l*10A(-3)=2000 倍,即 20lg(2000)=66(dB)o 根据整个放大系统的电 压增益，合理分配各级单元电路的增益。前置放人器的电压放人倍数取80；功 率放人器级(采用集成功放)电压放人倍数取30倍(考虑到实际屯路中冇衰减)。音频功率放人器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上 所述，该系统的输岀倍号幅值为11.3V,从提高效

5、率的和度考虑，电源电压越接 近11.3V越好，但这样输出信号的失真将增人；从减小失真的角度考虑，可适当 的提高电源电压。综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电圧采用15V供 电。下面将对两个放大电路分别进行详细的分析和设计。2.2具体电路设计2.2.1前置放人电路的设计前置电路的作用：将节目源输出的电信号进行加工处理和不失真电压放大, 使Z达到一定幅度去推动功率放人器，确保功率放人器正常工作，并能对重放声 音的音调、音量、响度和立体声进行一系列控制。声音源的种类冇多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD 唱机及线路传输等，这些肖音源的输出信号的电压差别很大，从零点儿毫伏到儿

6、百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直 接输入到功率放大器屮的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足, 不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过人，功率放大器的输出信号将 严熏过载失真,这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系 统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减， 或进行阻抗变换，使其与功率放人器的输入灵敬度相匹配。另外在各种尹音源中, 除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同,如电唱机输出信号和磁带 放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被捉升。对于这样 的输入信号，在进行功

7、率放人器Z前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢 复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进 行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入 阻抗相匹配；：是使前趕放大器的输岀电压帕度打功率放大器的输入灵敏度相匹 配。由丁-话筒输出倍号非常微弱， 般只有loop vTL亳伏，所以前置放人器输 入级的噪声对整个放人器的信噪比影响很人。前置放大器的输入级首先采用低噪 声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放人器，首先耍选择低噪声的 晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由丁场效应管的噪声系数-般比

8、晶体 管小，而且它儿乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下, 采用低噪声场效应管组成放人器是合理的选择。如果采用集成运算放人器构成前 置放人器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放人器。对于前置放大器的另 外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。根据音频信号的特点，前置放大器选择山NE5532AP集成运算放大器构成的 屯压放人器完成。NE5532AP在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具冇优界的 指标，由它组成的电压放大器可以很好的满足设计要求，电路如图2所示。前置放人器山两级放大器组成，第一级采用NE5532AP构成的电压串联负反 馈电路，具冇输入阻抗裔的

9、特点。第二放人器采用NE5532AP组成的电压并联负 反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号強的特点。第一级放大器的电压放大倍数为：1+&/21+47/1O5.7；第二级放大器的电 床放人倍数为：戶20；电容C5、C6的作用是高频滤波，电容C3、C4是去耦 电容，消除低频自激振荡。前置放大器的下限频率由电容C】和电阻&决定。信号经前置放大电路加工处理和不失真电压放大，进入功率放大电路。VO1 端作为功率放大电路的输入级直接与V2端直接相连。2.2.2功率放大电路的设计功率放人器的常见电路形式冇OTL电路和OCL电路。冇用运算放人器和晶 体管组成的功率放人器，也冇专集成电路功率放大器。木

10、文设计的是一个OCL 功率放人器，该放人器采JIJTDA2030音频放人器芯片，TDA2030音频放人器电 路是最常用到的功率放大器，英内部电路包含输入级，中间级和输出级，且冇短 路保护和过热保护，可确保电路丁作安全可靠。采川正输出单电源供电。是f块 性能十分优良的功率放人集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小, 在目前流行的数十种功率放大器中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030 在内的儿种。我们知道，瞬态互调欠其是决定放大器品质的重要因索，该集成功 放的一个重要优点。TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能比较完善。根据掌 握的资料，在各国生产的单片集成电

11、路中，输出功率最大的不过20W,而TDA2030 的输出功率却能达18W,若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35Wo 另-方面，大功率集成块由于所川电源电压高，输出电流大，在使川中稍有不慎 往往致使损坏。然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完整的保护电路，一 旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自C得到保护（当 然这保护是冇条件的，我们决不能因为冇保护功能而不适当地进行使用）。 TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率 集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用帯来不少方便。本设计选取S

12、GS公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具彳j输出功 率大、谐波失其小、内部设冇过热保护，外用电路简单，可以作OTL使用，也可 作OCL使用。TDA2030/2030A的外引线如图3所示。1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4 脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。电路特点是引脚和外接元件少。其 主要特点为：电源电压范囤为6V-18V,静态电流小于60A,频响为10Hz140kHz, 谐波失真小于0.5,在VCC=14V, Rl=4Q时，输出功率为14Wo在4Q负载上的输 出功率为10WoLTDA2030图3 TDA2030管脚图SV5反相输入 MHU同相输入图4 TDA20

13、30组成的OCL功率放人器电路111 TDA2030/2030A构成的OCL功率放人器电路如图4所示。该电路山 TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数4沪1+/?i/?2“+22/0.68233 （倍），满足设计耍求。丄极管6、起保护作用，丄是限制输入信号过人，丄 是防止电源极性接反。局、C2组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容 C是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容C3、C6是低频旁 路电容，电容C5、C4是高频旁路电容。电位器Rp是音量调节电位器。2.3系统总体电路wrrlrrrw人HP io r图5音频放大器中电路图2.4系统所用元器件水系统所用的元器

14、件清单如表1所示。表1木系统所用的元器件元器件名称数量集成功放TDA20301集成运放NE5532AP2二极管 1N40012示波器XSC21电容C13电阻R11滑动变阻器1正弦信号电压源1电源VCC6导线若干3. 系统调试与仿真3.1前置放大器调试安装电路时注总电解电容的极性不要接反.电源电压的极性不要接反。同时 不加入交流借号(DC:lmV)时，用力用农测量何级放人器的静态输出值；然后用示 波器观察毎级输出有无自激振荡现象。加入幅值lmV、频率1kHz的交流正弦波 信号，测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。Clvcc15V |、:VCC :aw町以看出 Ui=-553.

15、941uVU2=622.469mV图6前置放大电路仿真一级二级静态输出分别如下图:S3万用表XMM2图7前置放大电路各级静态输出（左：5;右：U2）示器XSC1p匕pC 二.T2-T1-nr t|54T.B32.555 mV空伺 |浜4Ext Thjje*r5 153 uV/D： vpY (0pT b/a|b| !pc o |pc a|pc o 1dc| | e 即 zg| e| ae： tF3 22.2 F -&.774 uV图8各级波形输出（A通道：第一级：B通道：第二级） 由上图町以看出级和二级放人均无无口激振荡现象。&示波器XSC1图9前置放人电路示波器输出图(A通讼 输出信号；B通道

16、：输入信号)前置放大电路的电压放大倍数为：56.289/(681.325*10A(-3)=78.2倍，符合设计耍求。3.2 OCL功率放大电路的调试R1图10 OCL功率放大电路静态测试。将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的电位应为0V左 右，电源提供的静态电流一般为几十mA左右。若不符合要求，应仔细检查外围 元件及接线是否冇误；若无误，町考虑更换集成功放器件。(2)动态测试。在功 率放人器的输出端接额定负载电阻&(代替扬声器)条件厂功率放人器输入端加 入1 mV/lkHz的正弦波信号，调节输入信号的大小，观察输出信号的波形。若输 出波形变粗或带冇毛刺，则说明电路发生自激振荡，应尝试改

17、变外接电路的分布 参数，直至I激振荡消除。然后逐渐增人输入电压，观察测屋输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。图11功率放大电路输出波形由上图可以看出，该电路没冇发生自激振荡。Umax=29.542mV,所以最大不失真输出功率为 POm=(29.542*10a(-3)a2)/4=7.39W3.3总电路调试将每个单元电路互和级联，进行系统调试。将频率等于1kHz,幅值等于lmV 的止弦波信号接入音频功率放人器的输入端，观察其输出端的波形有无自激振荡 和失真，测量输出最大不失真电压幅度，计算最大不失真输岀功率。图12总电路Multisim仿真图图13系统总电路输出波形由上图町以看出.输出没

18、有出现口激振荡和失真现象，说明设计符合耍求。输出最大不失真电压为Uom=2.414V,所以最大不失真输岀功率为： Pom=（2.414a2）/4=1.46W,符合预先设计要求。4. 总结4.1本系统的优缺点本系统电路各环节放人电路各项参数指标经过检验均符合设计要求：放人倍 数和最大不失真功率均达到要求并且失真较小。该电路使用了 NE5532AP集成运 放和TDA2030集成功放，电路结构简单明了，能很好的满足设计需要。但是， 由于本系统只设置了两个放人电路，没有稳压电源和音调控制环节，输出信号不 够稳定，不能对输出音频信号进行调节和优化。4.2心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽

19、然不是很长，但在整个设计 过程屮收茯颇丰。整个课程设计过程屮首先对模拟电路这门课程有了更深的了解, 因为课程设计木身要求将以询所学的理论知识运用到实际的电路设计当屮去，在 电路的设计过程中，无形中便加深了对模拟电路的了解及运用能力，对课本以及 以前学过的知识有了 一个更好的总结与理解。以前的模电实验只是针対某扌个小 的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过 翻阅复习以询学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的 设计。另外，通过此次课程设计,我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解, 这对我们以后的I作和学习的帮助都很有川处。通过这次课设让我明口 了理论 和实际操作Z间差距，而FI.也让我很明确得意识到白己在模电上冇很多的知识漏 洞，以后应该多钻研一下。参考文献1 童诗华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：為等教育出版 社，2009.2 邱关源主编.电路（第五版）.北京：髙等教育出版社，2010